基于Landsat數據的新疆和田地區(qū)綠洲覆蓋變化研究

李引湣 馬尚紅

(和田師范?？茖W校，新疆 和田 848000)

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基于Landsat數據的新疆和田地區(qū)綠洲覆蓋變化研究

李引湣 馬尚紅

(和田師范?？茖W校，新疆 和田 848000)

利用Iandsat遙感影像數據 (TM、ETM+)，結合氣象數據，通過土地利用類型轉移矩陣，對和田地區(qū)該區(qū)域綠洲植被覆蓋面積和時空格局變化進行分析，并結合和田地區(qū)政策、人口等因素對其驅動因子進行研究。結果表明：和田地區(qū)綠洲內的林地、耕地和水域面積呈現先減少，后緩慢增加的趨勢，受雪山融水供給的影響，該地區(qū)水域變遷幅度較劇烈；受全球大氣候與昆侖山南麓局地小氣候的影響，該地區(qū)氣溫呈現穩(wěn)定增加的趨勢，而降水呈現先增加，后減少的趨勢。

Landsat遙感影像；荒漠綠洲交借帶；植被覆蓋與氣候變化

土地利用和地表覆蓋被普遍認為是未來三十年來最能影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的全球變化。[1]綠洲覆蓋率在很大比例上取決于地表植被覆蓋程度。和田地區(qū)局域山地沙漠環(huán)境的變化必將影響到土地覆蓋，從而影響到地表植被分布，最終導致該地區(qū)水分地空循環(huán)和熱量擴散的改變。綠洲覆蓋的變化也反饋于局域小氣候循環(huán)冷熱系統(tǒng)，對于氣候的反饋作用可能減緩或加快和田局域氣候的變化。[2]和田荒漠一綠洲交錯區(qū)是新疆干旱區(qū)、半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中綠洲化和荒漠化交替發(fā)生變化最明顯的地區(qū)，也是人為干擾和外界環(huán)境對綠洲生態(tài)環(huán)境影響反饋最頻繁的地區(qū)，有著預警和指示的重要作用。[3]國外對荒漠一綠洲區(qū)域的研究主要集中在鹽漬荒漠化、水資源、綠洲生態(tài)系統(tǒng)、植被覆蓋度、沙漠中尺度環(huán)流等方面主要通過遙感的手段進行監(jiān)測等。[4]國內對干旱區(qū)域荒漠一綠洲交錯地帶主要研究方向為景觀空間格局分布以及其受自然環(huán)境、人為環(huán)境條件的影響、荒漠化特征、生態(tài)安全變化趨勢等方面[5]。而新疆和田地區(qū)位于昆侖山北麓、塔克拉瑪干沙漠南緣，屬于典型的荒漠一綠洲交錯廊道區(qū)域。本文利用MODIS 數據，通過NDVI的計算研究 2001～2015年新疆和田地區(qū)荒漠與植被覆蓋度之間相互變化。國內部分學者對和田地區(qū)土地利用主要是利用實地調查和時空覆蓋較小的遙感數據進行非監(jiān)督分類研究[6]，從信息的接收和處理以及遙感圖像的判讀和應用均有待于進一步深究[7]。國內的荒漠一綠洲交錯帶研究中，利用多時段的陸地資源衛(wèi)星光譜靈敏度數據進行植被覆蓋變化研究還很少，本文利用和田氣象局近 30 年的氣象觀測數據，結合三期 Iandsat衛(wèi)星遙感MODIS影像，將遙感信息(波段或植被指數)分解,建立像元分解模型,并利用此模型估算植被覆蓋度結合和田地區(qū)近四十年氣候變化影響因子來討論和田地區(qū)土地開發(fā)和綠洲覆蓋度變化趨勢及其驅動力。

1 研究區(qū)域

和田地區(qū)位于新疆南部，35.70～39.40 N，78.70～83.40E，綠洲面積 9730．0 km2(圖1)。和田地區(qū)地處塔克拉瑪干大沙漠的南緣,人口169.15萬,土地面積24.78萬平方公里,其中綠洲面積僅占3.48%。和田地區(qū)陷入“人口增長——環(huán)境破壞——經濟貧困”的惡性循環(huán)之中偏離原有的平衡;尤其是和田處于干旱荒漠邊緣地區(qū),綠洲人口密度已達195人/平方公里,人均耕地占有量為1.5畝,對水土資源開發(fā)利用以及生態(tài)環(huán)境造成了長期惡劣影響。和田綠洲以北是綿延起伏的沙丘，其中流動沙丘占80%，年降水量僅為32.6毫米，且主要集中在5月和7月；而年蒸發(fā)量高達2450～2824毫米，蒸發(fā)量遠大于降水量，年浮塵和沙暴天氣150～250天。

圖1：研究區(qū)地理位置及水洗分布概況

2 數據來 源與研究方法

2．1 數據來源研究數據主要以覆蓋和田地區(qū)的 Iandsat遙感影像數據(1973年5月、1990年6月和 20O0年6月三個時段的MSS、RIM、 ETM+)為基本數據，結合 1984～2003年和田地區(qū)溫度和降水量氣象數據。另有和田地區(qū)土地利用圖(1：50000)及其矢量化數據，圖像處理軟件為ENVI、ERDAS9．6。

2．2 數據處理根據內陸干旱區(qū)綠洲近紅外波段NIR(0.7～1.1Lm)與可見光紅波段RED(0.4～0.7Lm)的光譜特征，參考《土地利用現狀調查技術規(guī)程》中的土地利用/覆蓋分類體系，主要分類為林地(原生林、 防護林等)、水域(河流、河灘、水庫等)和未能開發(fā)利用地(沙漠、戈壁、山脈等)。利用 ERDAS遙感圖像處理軟件，分別對和田地區(qū)土地綠洲覆蓋三個時期的 Landsat數據進行了云處理、幾何校正、彩色合成、亮度變換、直方圖變換、亮度顛倒、圖像間運算。分類方法采用監(jiān)督分類法，以減少遙感圖像相元點誤差，分類結果如圖2所示。

圖2：和田地區(qū)的ERDAS遙感圖

2．3 土地利用變化強度指數

土地利用變化強度指數是指某一區(qū)域內，在錯綜復雜的自然因素和社會經濟因素的合力作用下，單位面積上土地利用類型從n時期到b時期發(fā)生的改變成不同土地類型斑塊有不同的空間圖形特征的數值。土地利用變化強度指數的計算公式如下[8]：

公式中：LTIi為某土地覆被類型在研究時段內的變化強度指數；Aj．b、Aj．a分別為某土地覆蓋類型在研究初期。a及末期 b 的面積；LAi 為研究區(qū)總面積；T為研究末期與初期的時段 (年)。

3 結果與分析

3．1 和田地區(qū)土地覆被的數量結構變化從所研究的兩個時段來看 ，和田地區(qū)的綠洲斑塊數量結構變化總體呈先下降后上升的趨勢接著再持續(xù)下降。由表1可見 ，1973～1990年期間，綠洲斑塊面積均有不同程度的減少，破碎化程度加劇，其中，綠洲的減少量約為沙地減少量的 1.3倍，水資源面積也減少了27．1%； 而在 1990～2015年期間，綠洲面積均有不同進度的增多。其中和田南邊地區(qū)綠洲斑塊面積增加最多，約占1990年綠地總面積的指26．5% ，而水域面積維持原樣，與1990年相差不大 。到和田整體陸地區(qū)域內，單位面積上土地利用類型從n時期到b時2015年，綠地面積與研究初期相比減少了 16．6%，相應地荒漠化面積發(fā)生了改變。土地利用變化強度指數的計算公式如地面積增加了41．6%，而水域面積仍保持在2000年的水平。

3．2 土地利用類型的分形及穩(wěn)定性，利用 ERDAS統(tǒng)計土地利用分類模塊中像元數量，得到三個時期綠洲、沙漠、水域面積數量結構轉移矩陣 (表1～3)。同時考慮到荒漠一綠洲交錯帶的地域性、相似性、區(qū)域性，本文利用20世紀70年代至21世紀10年代時期內，某一種類土地利用類型發(fā)生的年變化面積和強度指數來分析該類型景觀斑塊的變化情況 。

表1：1973-2015年休假和田地區(qū)土地覆被數量結構

土地覆被類型1973年1990年2015年1973-1990年變化面積/km21990-2015年變化面積/km21973-1990年變化強度指數/%199-2015年變化強度指數/%綠洲3831.13558.94468.4-272909.3-0.0070.0398沙漠13250.712700.118900.3-5500.562000.2-0.0014-0.0272水域817.6587.3584.7230.2-2.6-0.0069-0.0001

注：其他土地面積未列入土地覆被數量結構以內。

3．2．1 1973～2015年間土地利用與覆被的時空變化。

3．2．1．1 綠洲。

表2：1973-1990年和田地區(qū)土地覆轉換矩陣

土地覆被類型綠洲荒漠水域其他未利用土地綠洲788.22540.5217.9132.2荒漠2516.680987.1442.64223.7水域139.6854.27.216.5其他未利用土地22.894377652

圖3:1973-1990和田地區(qū)土地覆被轉換矩陣

由表2可見 ，土地覆蓋類型轉化中綠洲向耕地和林地轉化斑塊面積較小。綠洲向荒漠轉化面積為2516．6km2， 同時其他未利用土地向荒漠轉化為943．0km2。綠洲與水域間相互轉化的面積分別為 217．9 km2。在該時期，總體綠洲面積逐漸程減少趨勢，原因由于該時段為沿水源地毀林開荒的時期，期間各種綠洲特別是天然林地斑塊轉化為荒漠和耕地斑塊。

3．2．1．2 水域。水體在維系綠洲與荒漠化中起關鍵性作用一直維持綠洲區(qū)域內生態(tài)平衡。1973～1990年，水從遙感影像觀測分析水域面積急劇減少至28．2%。水域向荒漠地、草地等類型間的相互轉化作用顯著，其中，主要為水域向荒漠地斑塊面積之間的轉化，面積為854．2 km2；其次是轉化為林地，面積為 106．7 km2。這種相互轉化的主要原因是受和田地區(qū)昆侖山南麓雪山季節(jié)性融水供給河流的枯水期影響導致。

3．2．1．3 耕地。在1973～1990年期間，耕地的面積基本保持平衡。雖然耕地的地域變遷幅度很大，但是大量開墾新土地彌補了原有退化土地的面積。其中，荒漠和其他未利用土地向耕地轉化的面積最大，根據和田地區(qū)統(tǒng)計年鑒記載為855．4 km2。在這一時期，由于大力開墾荒地，增加耕地面積，荒地的開發(fā)利用達到最大，主要是向著綠洲轉化。

3．2．2 1990～2000年間土地利用與覆蓋的時空變化(表3、圖4)。

表3：1990-2015年和田地區(qū)土地覆轉換矩陣

土地覆被類型綠洲荒漠水域其他未利用土地綠洲1513.22164.290.49.8荒漠2955.95120308.1223.24223.7水域105.3576.320.64.5其他未利用土地101.72819.132.510526.9

圖4：1990-2015年和田地區(qū)土地覆轉換矩陣

3．2．2．1 綠洲。在 1990～2015年期間，綠洲和沙漠之間的相互轉化趨勢最明顯。有 2164．2 km2的林也變成荒漠，主要原因是和田地區(qū)沙塵暴天氣頻發(fā)，同時又有荒漠2955.95km2向綠洲地轉化，綠洲的總面積有所增加，可見在覆被消退的同時植樹造林綠化工程也在進行。

3．2．2．2 水域。在1990～2000年間，水域面積得到基本恢復70年代前狀態(tài)。到2000年和田地區(qū)水域面積達755．4 km，呈明顯增長趨勢。同時也與綠洲斑塊增多表現一致。在綠洲荒漠交錯廊道區(qū)域帶，水分利用與綠洲面積變化的相互依存表現很突出。和田河、喀拉喀什河、玉龍喀什河為季節(jié)性河流(圖1)，均屬于降水、積雪融水和冰川融水綜合補給性河流。在這一時期，水體向林地、耕地和荒漠的轉化面積分別為 105.3、48.6和 576.3km，主要是與荒漠之間的轉化，與和田地區(qū)的河流為季節(jié)性供水性質有關，表現為季節(jié)性的河流供水量落差大。

3．2．2．3 耕地。1990～2000年間耕地的面積有所增加，其中荒漠向耕地轉化面積最多，為 903．5 km2。同時，耕地的不穩(wěn)定性繼續(xù)增加，荒漠變成耕地占了總面積的 47．8% ，其次是林 地對耕地的轉換面積為 26．6%。 自20世紀90年代以來 ，植被和水域面積呈增加趨勢，這說明相比 1973～1990年這一時期，該地區(qū)的荒漠化趨勢已經減緩，并且植樹造林的效應已經開始突顯。和田地區(qū)林業(yè)局介紹，近30年來，和田地區(qū)被流沙吞沒的農田達46萬畝，沙漠化土地和草場退化面積達3萬平方公里，年平均降塵濃度為104.88噸/平方公里。

4 結論與討論

4．1 全球氣候變化以及昆侖山區(qū)局地氣候對和田地區(qū)荒漠一綠洲交錯帶廊道的影響和田地區(qū)氣候不可避免地會受到全球氣候變暖趨勢的影響。氣候的變化必然導致和田地區(qū)水循環(huán)時空的變化[47]。該研究的研究時間段為 1970～2015年，和田地區(qū)的氣候變化主要體現在隨著溫度的緩慢上升，該地區(qū)的降水量呈現先增加后緩慢減少的趨勢(圖5)。

圖5：和田地區(qū)1970-2015年溫度與降水量對比圖

4．2 和田地區(qū)植被覆蓋變化及其驅動力分析從以上研究結果可以看出，在20世紀 70年代初期到 90年代末，和田地區(qū)的綠洲斑塊破碎度增加，沙漠斑塊面積迅速增加，反映出和田地區(qū)的生態(tài)環(huán)境破壞。原因為80年代政府禁止亂砍濫伐政策的調整后和田地區(qū)的植被不僅得到快速的恢復，并且綠洲斑塊面積大量增加。植樹造林工程以及耕地面積也迅速增加，到2015年，該地區(qū)的綠洲斑塊覆蓋面積有了大幅度的增加，呈現逐漸恢復 (圖6)。

圖6：和田地區(qū)土地覆蓋與利用趨勢

4．2．1 氣候因子。氣候因子尤其是降水對植物分布和生長起到決定性作用[9]。根據近 50年的氣候變化曲線可見(圖3)，總體上，溫度線一至呈現出曲線上升趨勢，降水量呈現1970年呈現其氣溫不斷升高，同時降水量也不斷增加，出現同高雙峰型，而至2000年弧形曲線減少的趨勢。溫水同期這一變化過程對和田地區(qū)自然地理環(huán)境整體性類型的影響非常顯著。從圖3可以看出，降水變化與植被覆蓋變化前期同步后期不一致。20世紀70年代前降水量最少，1900～2000年隨著城市化進程這一時期綠洲斑塊面積減少較明顯，南部昆侖山區(qū)沙化面積有所增加。80年代后期，開始年平均降水量都超過了多年平均降水量(圖3)，為豐水期，綠洲面積是隨著氣候環(huán)境的變化而變化，但綠洲板塊面積并沒有隨之而增加，反而呈緩慢下降趨勢，但該時期土地荒漠化面積均為歷史最多。90年代平均降水量任然高出多年平均降水量，土壤水分狀況雖然得到改善，但湖泊、河流徑流量減少使水域面積逐年縮小，從而沙漠穩(wěn)定性增強，綠洲不穩(wěn)定性增加。，這對該時期植被覆蓋面積顯著增加有一定的影響， 該時期的綠洲面積均有不同程度的減少，水域面積也呈緩慢縮減趨勢，氣候因子對植被覆蓋影響是相對的。[10]

4．2．2 人為因素。隨著城市化進程的加快過度開發(fā)以及不合理的水資源利用引起大面積胡楊、紅柳等荒漠植被綠洲斑塊向和田地區(qū)南緣漸退，和田河、喀拉喀什河、玉龍喀什河沿岸的植被走廊一荒漠固定沙包帶逐漸變成流動性沙丘，導致的直接后果就是綠洲破碎化加快，加速土地荒漠化進程的速度。根據新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)統(tǒng)計年鑒 (1949～2004)的耕地、人口數據分析可以看出(圖7)，建國后和田綠洲人口增長一直呈逐年上升趨勢[11]。隨著人口數量的逐年增加，綠洲斑塊面積呈現減少趨勢。這與人為的過度開發(fā)、自然調節(jié)氣候失衡促使綠洲板塊的減少有關。

圖7：1949-2004年和田地區(qū)耕地與人口關系

人口的逐年快速增長對自然環(huán)境的破壞力度加大表現在對天然紅柳、胡楊林、灌木的過度采伐 ，加劇了綠洲地面積的減少。此外，過度蓄養(yǎng)牧業(yè)、大面積灌溉農田也將減少綠洲面積，是植被覆蓋面積減少的人為因素。

4．2．3 政策因素。國家政策是決定土地利用和覆蓋變化的又一主要因素。經衛(wèi)星遙感圖片綠洲相元點計算1973～1990年和田地區(qū)綠洲面積下降約為327．5 km2，與當時政府號召大力拓荒，大面積開墾耕地的規(guī)劃政策有關。在這一時期，當地政府(包括農十四師、二二四團)大力支持墾荒，新開荒土地造成整個區(qū)域水土資源失衡，植被破壞，沙塵天氣增多，土地荒漠化加速等一系列惡性循環(huán)。人工綠洲內部修建大面積水庫水利設施、耕地渠網，造成該區(qū)域內河流下游水量銳減，甚至斷流，綠洲邊緣地下水位失去補給，植被覆蓋度明顯下降，[12]大量耕地由于水資源喪失促使鹽堿化而棄耕，荒漠化斑塊增多。隨著綠洲農業(yè)的發(fā)展，堅持維護 生態(tài)平衡與提高經濟效益相結合，治水、治堿(鹽堿)、治沙相結合，大面積交錯帶的荒漠地被開墾為農用地，使人工綠洲的面積迅速增大。但是由于處于西風帶，但遠離水汽源地，降水稀少。這是一個半荒漠向荒漠過渡的地帶，是一個生態(tài)環(huán)境比較脆弱的地區(qū)，其自然地理狀況必定是寒冷、干旱、大風、沙塵暴，反而加劇了該地區(qū)綠洲斑塊景觀破碎度。[13]自20世紀90年代中期國家逐步推廣實施退耕還林還湖政策以來，和田地區(qū)政府禁止過度放牧、亂砍濫伐，耕地及周圍的防風林，組成了綠洲特有格子狀景觀斑塊。在這一時期和田地區(qū)的林地面積大增，主要是農田防護林地的增加。因此在研究后期，和田地區(qū)的綠洲斑塊面積總體數量上大幅度的增加。

4．3和田地區(qū)綠洲一荒漠交錯帶管理措施及建議隨著國家二胎政策特別是當地少數名族三胎政策促使人口增長會給環(huán)境承載量帶來過大壓力。[14]從上面的分析可知，如果和田地區(qū)人口增長速度不能得到很好的控制，未來可能該地區(qū)的土地利用/土地覆蓋將朝著加劇沙漠化的方向發(fā)展。[15]此外，做出相應的應對措施，如調整產業(yè)結構增加服務業(yè)和城市化就業(yè)率，土地增加經濟林(石榴、大棗、核桃等)種植面積；優(yōu)化綠洲—荒漠結構和比例，走可持續(xù)發(fā)展的道路；[16]在綠洲一荒漠交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱，在其附近的綠洲區(qū)過量開采地下水會使交錯帶生態(tài)環(huán)境退化，形成“生態(tài)裂谷”，改善和治理該地區(qū)的綠洲面積，是一項長期而艱巨的工程，只有運用環(huán)境生態(tài)學和綠洲沙漠學等多學科相結合，才能由非平衡特性向平衡性發(fā)展以及使沙漠綠洲環(huán)境與人類活動可持續(xù)性發(fā)展。

4．4研究展望該研究利用3個時期的Iandsat遙感數據，結合相應時期的氣象資料，分析了近 30年和田地區(qū)植被覆蓋變化規(guī)律及其驅動力。從研究結果可見，在干旱區(qū)域綠洲覆蓋面積和環(huán)境因子之間有空間相對的一致性，說明和田區(qū)域發(fā)展的同質性、同構性，環(huán)境條件的改變必然會引起綠洲植被發(fā)展演化、綠洲荒漠過渡帶、覆蓋度的變化，同時，植被的增加或減少也會影響自然環(huán)境條件與刺激長期持續(xù)地的發(fā)展。但是由于受到人為因素等影響，基于TM/ETM遙感數據和FCD模型植被覆蓋度反映出和田干旱荒漠地區(qū)的綠洲覆蓋變化與氣候因子的關系以及植被覆蓋度的空間格局和時空變化規(guī)律是非線性、不可預知的。需要得到和田地區(qū)植被覆蓋變化趨勢就需要長時期、多因子、景觀格局的多尺度變化特征的研究。在該研究中發(fā)現氣候變化是于旱區(qū)域綠洲變化的指示器其最主要影響是氣溫，隨著全球變暖和田地區(qū)的氣溫呈緩慢曲線上升趨勢，氣溫的波動變化進而影響降水量和蒸發(fā)量的波動性變化，決定著綠洲斑塊面積大小狀況。

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2016-09-15

李引湣(1987-)，男，漢族，和田師范?？茖W校生地學院講師，研究方向：地球遙感技術與地理教育。